混合超級電容器提供儲能替代方案

可充電電池和超級電容器各有利弊，但將兩種技術(shù)融合到單一結(jié)構(gòu)中的混合設(shè)計可以克服各自的許多限制。

雙電層電容器（EDLC）——通常被稱為“超級電容器”，有時也被稱為“超級電容器”——是一種了不起的無源儲能元件。由于其多法拉的高電容和小尺寸，它提供了體積和重量的高密度能量存儲。在一些遙感、物聯(lián)網(wǎng)和能量收集應(yīng)用中，超級電容器是可充電電池的替代品；在其他情況下，它們與電池一起使用，以克服那些基于電化學(xué)的能量存儲組件的一些弱點(diǎn)。并不是說一個天生就比另一個好。相反，超級電容器和可充電電池（無論化學(xué)性質(zhì)如何）各有其相對優(yōu)勢和劣勢。應(yīng)用程序的優(yōu)先級決定了哪個最有意義，

除了選擇一個或兩個作為兩個分立元件之外，還有另一種有趣的替代方法：混合超級電容器。這種儲能裝置不僅僅是一個可充電電池和一個超級電容器的明顯聯(lián)合包裝。相反，它使用了一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其中單個組件同時是超級電容器和鋰離子電池，圖 1（有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參閱參考資料）。

圖 1：這個混合超級電容器結(jié)構(gòu)的頂層視圖顯示它不是一個超級電容器和一個共享單個兩端封裝的電池。

這些混合超級電容器的供應(yīng)商包括太陽誘電（該公司稱它們?yōu)殇囯x子超級電容器，這在技術(shù)上是完全正確的）、伊頓和 Maxwell Technologies， Inc.（現(xiàn)在是特斯拉的一部分）。

有許多張貼的表格提供了標(biāo)準(zhǔn)超級電容器和鋰離子可充電電池之間的比較（表 1）。請記住，正如您所期望的那樣，每個資源和供應(yīng)商都有不同的觀點(diǎn)，并且技術(shù)本身正在快速發(fā)展。

表 1：這比較了超級電容器與鋰離子充電電池的頂級特性；根據(jù)信息來源和時間的不同，每個條目可能有不同的條目集。

盡管這些混合超級電容具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但總的來說，我對混合設(shè)備和結(jié)構(gòu)的感覺總是很復(fù)雜。一方面，兩種技術(shù)或材料的結(jié)合通常使我們能夠在克服一些弱點(diǎn)的同時保留每種技術(shù)或材料的最佳方面。這不僅適用于電子產(chǎn)品：想想用鋼筋加固的混凝土，或者用作最新一代飛機(jī)機(jī)身和附件的蒙皮的碳纖維增強(qiáng)聚合物 （CFRP）。

同時，這些組合有時也有新的缺點(diǎn)。例如，與單一用途的優(yōu)化單元相比，多功能測試設(shè)備的規(guī)格可能有所降低或某些靈活性限制。廣為人知的“瑞士軍刀”就是一個非電動的例子：它的每一個單獨(dú)的工具可能都“足夠好”，但絕對不如專用工具；盡管如此，整體刀片/配件組合和包裝帶來了尺寸、重量和成本方面的優(yōu)勢。

對于混合超級電容，還有一個管理問題。鋰離子可充電電池在充電和放電速率、庫侖計數(shù)和溫度（列舉幾個因素）的監(jiān)督方面有其特定的需求——超級電容器也有自己的可比清單。那么，如何管理混合超級電容？這些策略是否會發(fā)生沖突，或者它們是否足夠相似以至于單一方法可以適用于兩端混合？

我想到了隧道二極管：盡管它具有吸引人的性能特征，但作為一個沒有明顯輸入-輸出-接地連接的雙終端設(shè)備，實際使用起來相當(dāng)困難，因此不受歡迎；PIN 二極管也是如此（只要看看它的一些應(yīng)用電路原理圖）。也許像最近推出的 Maxim MAX38889 這樣的 IC 是一款針對超級電容備用應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的 2.5V 至 5.5V、3A 可逆降壓/升壓穩(wěn)壓器，它們對兩者都適用嗎？（圖2）

圖 2：MAX38889 專門針對超級電容器管理；電路中也可能有電池。

對于給定的問題，決定是否使用混合解決方案通常涉及權(quán)衡難以評估的權(quán)衡。除了每個組分克服另一個組分的一個或多個短路的明顯優(yōu)點(diǎn)之外，還存在引入新的弱點(diǎn)的許多情況。

使用超級電容混合動力車有意義嗎？答案很簡單：視情況而定。在某些情況下，新的缺點(diǎn)在應(yīng)用中是不可接受的，而在另一些情況下，新的優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)。從數(shù)量上講，模型不僅必須解決等式“是1+1《，=，還是》2？”，而且還必須評估解決方案產(chǎn)生的任何差距。您在混合（組合或合并）解決方案（而不僅僅是混合超級電容）方面的經(jīng)驗如何？整體收益是否比任何額外的不利因素更重要？您如何判斷混合方法的優(yōu)缺點(diǎn)之間的平衡？

審核編輯：郭婷